張 虹，孫 權(quán)，李占軍，白 洋

(1．東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2．國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林132012;3．國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110006)

風(fēng)能清潔、無(wú)污染，是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中重要組成部分．但風(fēng)能具有隨機(jī)性強(qiáng)、間歇性明顯的特征，使風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率不斷發(fā)生變化，限制了其在電網(wǎng)中的滲透率，單獨(dú)并網(wǎng)不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行［1～2］．近幾年提出的純綠色氫儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)能夠?qū)⒍嘤囡L(fēng)電制氫，進(jìn)而提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力［3］．因此，針對(duì)基于氫儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)協(xié)同控制的研究得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視．

國(guó)內(nèi)外對(duì)利用氫儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電已做相關(guān)研究．文獻(xiàn)［4］針對(duì)電解槽、燃料電池具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的特性，利用超級(jí)電容提供動(dòng)態(tài)失配功率，但未將儲(chǔ)氫罐壓力約束條件納入到功率控制分析中．文獻(xiàn)［5］研究了將風(fēng)電系統(tǒng)波動(dòng)的功率用于電解槽制氫，以此消納風(fēng)電系統(tǒng)多發(fā)功率．但為電解槽設(shè)計(jì)的開(kāi)/關(guān)條件，卻降低了風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率．文獻(xiàn)［6～8］提出將電池組、電解槽與風(fēng)電系統(tǒng)相結(jié)合用來(lái)消納風(fēng)電場(chǎng)波動(dòng)功率，提高了風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率，但儲(chǔ)能系統(tǒng)只能消納短期風(fēng)電場(chǎng)波動(dòng)功率．文獻(xiàn)［9～10］采用電池組、燃料電池、電解槽和交流發(fā)電機(jī)作為儲(chǔ)能系統(tǒng)用于獨(dú)立可再生能源系統(tǒng)．通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的協(xié)同控制，提高了風(fēng)能利用率．但只適用于分布式系統(tǒng)，不適合大規(guī)模系統(tǒng)．

綜上所述，本文采用風(fēng)電場(chǎng)與氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)，并考慮儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫狀態(tài)和超級(jí)電容荷電狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)發(fā)電的影響，對(duì)其進(jìn)行建模研究，并詳細(xì)闡述大型風(fēng)電場(chǎng)和氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)之間的協(xié)同控制，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)與協(xié)同控制策略使風(fēng)力發(fā)電得到了充分利用．

1 風(fēng)氫耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)氫耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括風(fēng)力機(jī)組、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、交流/直流半導(dǎo)體閘流管控制雙向橋整流器、電解槽/燃料電池/超級(jí)電容系統(tǒng)、由比例積分控制器控制工作系數(shù)的升/降壓型直流/交流變流器、直流/交流絕緣門(mén)極晶體管逆變器以及變壓器等．

圖1 風(fēng)氫耦合系統(tǒng)協(xié)同控制發(fā)電結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)模型

2．1 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)模型采用雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)，發(fā)電原理可在文獻(xiàn)［11］中獲知．對(duì)于DFIG捕獲風(fēng)能有兩種運(yùn)行方式．一種是使風(fēng)機(jī)始終保持在最大功率跟蹤(MPPT)模式下獲取最大風(fēng)功率;另一種是通過(guò)限制風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能從而減少風(fēng)機(jī)功率輸出．雖然兩種運(yùn)行方式不同，但是基本原理都是采用電流調(diào)節(jié)器控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩用以達(dá)到想要運(yùn)行的模式．當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，啟動(dòng)MPPT獲取最大風(fēng)功率;當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，通過(guò)改變槳距角來(lái)減少風(fēng)機(jī)功率輸出，具體控制方式可參見(jiàn)文獻(xiàn)［12］．

2．2 氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)

氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)(HMS)由電解槽、燃料電池、超級(jí)電容和儲(chǔ)氫罐組成．當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)提供的負(fù)荷電流過(guò)剩，則過(guò)剩的電流便傳輸?shù)诫娊獠郏呻娊獠壑茪鋬?chǔ)存在儲(chǔ)氫罐內(nèi)以備燃料電池堆的使用;當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷大于風(fēng)電場(chǎng)所能提供的電能，燃料電池堆便進(jìn)入工作狀態(tài)．為了考慮操作的可行性和有效性，本文中電解槽和燃料電池均設(shè)置在恒電流模式下，供需的動(dòng)態(tài)失配的電力由超級(jí)電容吸收或補(bǔ)充．

2．2．1 電解槽系統(tǒng)

本文采用的電解槽模型U－I特性如下:

式中:Ucell為電解槽端電壓;Urev為可逆電壓;r1和r2為電解槽內(nèi)歐姆電阻相關(guān)參數(shù);kelz、kT1、kT2和kT3為過(guò)電壓相關(guān)參數(shù);A為電池電極面積;Ielz為電解槽電流;T為電解槽溫度．電解槽功率控制，如圖2所示．

圖2 電解槽降壓變換器控制

2．2．2 儲(chǔ)氫罐系統(tǒng)

采用高壓氣罐儲(chǔ)存氫氣，用罐內(nèi)的氫氣壓強(qiáng)來(lái)衡量氫氣的量．為了簡(jiǎn)化儲(chǔ)罐模型，假定一個(gè)無(wú)損封閉系統(tǒng)，利用范德華求出儲(chǔ)罐壓力方程為［13］

式中:psto為儲(chǔ)氫罐壓力;Rgas為氣體常數(shù);Tsto為儲(chǔ)氫罐溫度;Vsto為儲(chǔ)氫罐體積;msto為儲(chǔ)存氫氣的量;ptank為儲(chǔ)氫罐初始?jí)簭?qiáng)．

2．2．3 燃料電池系統(tǒng)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM FC)是一種將燃料通過(guò)化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置．單個(gè)燃料電池電壓定義如下［14］:

式中:ENernst為可逆電壓;EAct為活化過(guò)電壓;ECon為濃度過(guò)電壓;EOhm為歐姆過(guò)電壓．PEM FC堆電壓定義如下:

燃料電池輸出功率控制，如圖3所示．

圖3 燃料電池升壓變換器控制

2．2．4 超級(jí)電容器系統(tǒng)

超級(jí)電容器電路模型參見(jiàn)文獻(xiàn)［15］，本文不做過(guò)多闡述．

2．3 儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫狀態(tài)和超級(jí)電容荷電狀態(tài)控制

在風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)中，為了防止電解裝置和燃料電池頻繁地開(kāi)關(guān)，需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施．采用如下解決方案，氫氣通過(guò)壓縮后存到儲(chǔ)氫罐中，電解槽和燃料電池的開(kāi)和關(guān)由儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫狀態(tài)決定，其儲(chǔ)氫狀態(tài)(SOCH)表示為

式中:Psto為儲(chǔ)氫罐氫氣壓強(qiáng);Pstomax為儲(chǔ)氫罐最大壓強(qiáng)．SOCH用來(lái)控制電解槽充電或燃料電池放電，其幅值波動(dòng)范圍是0(空)到1(滿(mǎn))，上限為U．L(Ⅰ)，下限為L(zhǎng)．L．(Ⅰ)，分別設(shè)置在接近1和0的位置．引入兩個(gè)中間限制U．L(Ⅱ)和L．L．(Ⅱ)，避免過(guò)渡切換．設(shè)置一個(gè)切換規(guī)則用以限制控制電解槽和燃料電池的開(kāi)和關(guān)，規(guī)則如表1所示．

表1 HMS保護(hù)開(kāi)關(guān)規(guī)則

與儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存狀態(tài)相類(lèi)似，超級(jí)電容荷電狀態(tài)(SOCSC)表達(dá)式如下:

式中:VSCmin和VSCmax分別為超級(jí)電容堆的最小和最大電壓，通過(guò)控制輸入或輸出超級(jí)電容的電流It便可以改變電壓VSC，進(jìn)而改變SOCSC．

3 協(xié)同控制策略

通過(guò)監(jiān)控風(fēng)電場(chǎng)獲知風(fēng)電場(chǎng)出力情況，大部分時(shí)間，風(fēng)機(jī)都在最大功率跟蹤情況下運(yùn)行．當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡，由氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)協(xié)同控制以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡．其整體控制原理，如圖4所示．

圖4 整體控制原理圖

3．1 有功功率協(xié)同控制

頻率變化Δf主要是有功功率的波動(dòng)引起的，因此可通過(guò)維持有功功率供需平衡來(lái)抑制頻率波動(dòng)．設(shè)目標(biāo)函數(shù)表示如下:

約束條件:

式中:ΔP為系統(tǒng)有功功率不平衡量;PG為系統(tǒng)發(fā)出總有功功率;PL為系統(tǒng)總負(fù)荷有功功率;PW為風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率;Pgrid為輸送給電網(wǎng)功率;Pelz為電解槽消耗有功功率;Pelz，ini為電解槽消耗初始有功功率;PFC為燃料電池發(fā)出有功功率;PFC，ini為燃料電池發(fā)出初始有功功率．

從公式(9)～公式(10)可以看出，在能量生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制ΔPFC，在能量消耗環(huán)節(jié)控制ΔPelz，便可滿(mǎn)足電網(wǎng)功率平衡要求．

公式(8)中ΔP為正表明此時(shí)能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)發(fā)出有功功率能完全滿(mǎn)足負(fù)載要求，ΔP為負(fù)表明此時(shí)能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)發(fā)出有功功率不能完全滿(mǎn)足負(fù)載需求．

3．2 無(wú)功功率協(xié)同控制

風(fēng)電功率因數(shù)可在0．98(超前)與0．98(滯后)之間調(diào)節(jié)，正常運(yùn)行時(shí)為單位功率因數(shù)．當(dāng)風(fēng)電單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，超級(jí)電容系統(tǒng)僅平衡電網(wǎng)不同運(yùn)行方式下并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功，其表達(dá)式為

式中:QSC－in與QSC－out分別為超級(jí)電容系統(tǒng)吸收和發(fā)出的無(wú)功功率;U與Uref分別為風(fēng)氫耦合系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)母線運(yùn)行電壓和額定電壓．

當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)滯后功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)無(wú)功功率表達(dá)式為

式中:QW－out為風(fēng)電無(wú)功功率輸出;QL為電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷需求．

當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)超前功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)無(wú)功功率表達(dá)式轉(zhuǎn)化為

式中:QW－in為風(fēng)電系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率．當(dāng)外部電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，超級(jí)電容系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓U，同時(shí)提供無(wú)功QSC－out來(lái)使U在故障期間保持較高水平，并提高故障后U恢復(fù)到Uref速度．

系統(tǒng)功率協(xié)同控制流程圖，如圖5所示．功率分配有下述情況:

(1)當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)出功率大于電網(wǎng)需求時(shí)，多余功率由超級(jí)電容和電解槽來(lái)消納．當(dāng)超級(jí)電容充滿(mǎn)電后，則停止充電．如供給電解槽功率超出其最大功率時(shí)，則通過(guò)改變槳距角來(lái)控制風(fēng)機(jī)功率輸出．在這種情況下，系統(tǒng)功率之間平衡表達(dá)式如下:

(2)當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率小于負(fù)荷的需求時(shí)，電解槽停止運(yùn)行，設(shè)ΔPWL=Pgrid－PW．根據(jù)ΔPWL的大小，有兩種運(yùn)行選擇;當(dāng)ΔPWL＜PFC時(shí)，啟動(dòng)燃料電池，向電網(wǎng)提供功率，以滿(mǎn)足負(fù)荷需求．當(dāng)ΔPWL＞PFC時(shí)，啟動(dòng)燃料電池和超級(jí)電容器，向電網(wǎng)提供功率，以滿(mǎn)足負(fù)荷需求．兩種情況的表達(dá)式如下:

(3)在其他特殊情況下，例如在風(fēng)速小于風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速或者大于風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率為零．此時(shí)電解槽停止運(yùn)行，燃料電池和超級(jí)電容器向電網(wǎng)提供功率，表達(dá)式如下:

4 仿真分析

為了驗(yàn)證協(xié)同控制策略的可行性，根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)由100 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、20 MW電解槽、20 MW燃料電池堆和20 MW超級(jí)電容器組成．通過(guò)算例設(shè)計(jì)風(fēng)氫耦合系統(tǒng)的控制策略平抑風(fēng)電有功功率波動(dòng)，算例分析分以下三種情況進(jìn)行:(1)額定運(yùn)行工況;(2)功率溢出工況;(3)功率不足工況，以此說(shuō)明風(fēng)氫耦合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制解決平抑風(fēng)電波動(dòng)的情況．

4．1 額定運(yùn)行工況

功率缺額不超出電解槽或燃料電池額定功率的范圍即為額定運(yùn)行工況．圖6(a)中實(shí)線描述的是某風(fēng)電場(chǎng)在300 s內(nèi)輸出功率曲線，虛線表示電網(wǎng)負(fù)荷需求．可以看出，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率多余電網(wǎng)負(fù)荷需求時(shí)，電解槽啟動(dòng)，吸收多余的功率，如圖6(b)所示，電解槽啟動(dòng)后產(chǎn)生的氫氣量如圖6(e)所示;當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率少于電網(wǎng)負(fù)荷需求時(shí)，燃料電池啟動(dòng)，釋放不能滿(mǎn)足電網(wǎng)負(fù)荷需求的那部分功率，如圖6(c)所示，燃料電池啟動(dòng)后消耗的氫氣量如圖7(f)所示．由于燃料電池和電解槽在釋放或吸收功率時(shí)會(huì)有一個(gè)延時(shí)過(guò)程，則此過(guò)程供需動(dòng)態(tài)失配的功率由超級(jí)電容吸收或補(bǔ)充，如圖6(d)所示．

圖5 協(xié)同控制流程圖

圖6 風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行下的系統(tǒng)運(yùn)行情況

在圖6(a)工作環(huán)境下的前200 s，由于風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的總電量大于電網(wǎng)負(fù)荷需求，因此多余的電量用于制氫，儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫狀態(tài)成上升趨勢(shì)，如圖7(a)所示．從圖6(a)中可知在200 s后，風(fēng)電場(chǎng)會(huì)持續(xù)發(fā)出遠(yuǎn)多余電網(wǎng)負(fù)荷需求的功率，為了系統(tǒng)能夠持久穩(wěn)定運(yùn)行，在前200 s，超級(jí)電容釋放功率，使其荷電狀態(tài)逐漸減小，如圖8(b)所示．因并網(wǎng)點(diǎn)功率平衡，整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，如圖7(c)所示．當(dāng)?shù)?00 s時(shí)，儲(chǔ)氫罐已滿(mǎn)，則電解槽停止運(yùn)行，風(fēng)電場(chǎng)剩余功率由超級(jí)電容消納，當(dāng)超級(jí)電容荷電狀態(tài)為1時(shí)，不再消納多余的功率，則多余的功率溢向電網(wǎng)，如圖7(c)所示，此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)功率失去平衡，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行．

圖7 氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)的SOC狀態(tài)及電網(wǎng)功率

4．2 功率溢出工況

功率溢出工況是指過(guò)剩功率超出電解槽額定功率上限的情況．當(dāng)發(fā)生功率溢出問(wèn)題時(shí)，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)槳距角減少風(fēng)電場(chǎng)功率輸出，通過(guò)控制風(fēng)電場(chǎng)輸出功率解決功率溢出問(wèn)題．在相同仿真條件下風(fēng)電場(chǎng)輸出功率和電網(wǎng)負(fù)荷需求功率波形，如圖8(a)所示．在前200 s，系統(tǒng)正常運(yùn)行，儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫狀態(tài)和超級(jí)電容荷電狀態(tài)，如圖8(b)和圖8(c)所示．在200 s時(shí)，儲(chǔ)氫罐已滿(mǎn)，如圖8(b)所示．此時(shí)從圖8(a)可知風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)變槳距控制減少輸出功率，使風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出功率正好符合電網(wǎng)需求．因?yàn)闆](méi)有產(chǎn)生多余功率，超級(jí)電容荷電狀態(tài)始終不會(huì)達(dá)到最大值．從圖8(d)可知，在仿真階段，供給電網(wǎng)有功功率始終與電網(wǎng)需求的有功功率相一致．

圖8 氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)SOC狀態(tài)及電網(wǎng)功率

4．3 功率不足工況

氫儲(chǔ)能無(wú)法滿(mǎn)足功率缺額時(shí)視為功率不足情況．針對(duì)氫耗盡時(shí)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響也進(jìn)行了仿真研究．在前200 s時(shí)間內(nèi)，從圖9(a)中可以看出，風(fēng)電場(chǎng)輸出的功率始終在電網(wǎng)需求的功率上下波動(dòng)，且波動(dòng)幅值不大，所以風(fēng)氫耦合系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行．在200 s后，從圖9(a)中可知風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出功率遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足電網(wǎng)負(fù)荷所需．從圖9(e)、圖9(f)中可知，此時(shí)儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫狀態(tài)和超級(jí)電容荷電狀態(tài)已降到最低，燃料電池?zé)o法發(fā)電，不能為電網(wǎng)提供多余功率，所以從圖9(g)可以看出，在200 s后系統(tǒng)輸出功率無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)需求，既系統(tǒng)供給電網(wǎng)有功功率與電網(wǎng)需求有功功率無(wú)法保持一致，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)頻彌補(bǔ)功率缺額．

圖9 儲(chǔ)氫量不足時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行情況

5 結(jié) 論

本文基于風(fēng)電場(chǎng)與氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)，并考慮儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫狀態(tài)和超級(jí)電容荷電狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)發(fā)電的影響，在Matlab/Simulink中搭建各單元模型．針對(duì)風(fēng)氫耦合系統(tǒng)的3種運(yùn)行情況，詳細(xì)闡述大型風(fēng)電場(chǎng)和氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)之間的協(xié)同控制策略，最大化利用棄風(fēng)制氫，提高風(fēng)能利用率，并能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定高質(zhì)量的電能．

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